Modelling direct modulated lasers and VCSELs based modules for programmable transmitters in future optical metro networks

Owing to the continuous increase in data traffic volumes, a migration towards a more dynamic and efficient paradigm for future metropolitan area networks (MANs) needs to be adopted. Sliceable bandwidth/bitrate variable transceiver (S-BVT) can be the key element supporting this evolution. This kind of transceiver can optimally exploit the available spectral resources changing their bandwidth occupancy and their supported bitrate. At the transmitter side, the S-BVT is based on a directly modulated laser: as opposed to the externally modulated lasers, the directly modulated ones allow an increase of the cost-effectiveness and the scalability of the network. They also reduce the module costs. In particular, vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs), represent a really good choice as directly modulated source to be inserted in the S-BVT. They are very cheap devices but at the same time they maintain good performances. The aim of this thesis was to model the VCSEL as a directly modulated source. This has been done simulating an easier generic semiconductor laser (particularly a distributed-feedback laser, DFB), which has thermally independent rate equations. The model of this generic laser has been developed in Python language and then converted in Matlab environment. Once this model has been achieved, we have used it as a basis for a more complicated one, which could also take into account the dependency of the VCSEL from the temperature. A comparison with the results achieved in laboratory by means of a suitable experimentation in terms of optical power-current response, has allowed us to validate the developed simulative model and adjust the correct parameters of the laser rate equations to perfectly fit the modelled curves with the experimental one. Since the experimental laser used in laboratory was a tunable microelectromechanical system (MEMS) VCSEL, a characterization for different wavelengths has been carried out: at each value of the bias current a power-current curve has been obtained and then replicated adjusting the right parameters with our developed VCSEL model. The developed simulative model for the VCSEL allows to better simulate the impact of VCSEL-based S-BVTs in a real optical communication network.

A causa del continuo aumento del volume di traffico dati, in futuro sarà necessario effettuare una migrazione delle reti metropolitane verso uno scenario più dinamico ed efficiente. Gli sliceable bandwidth/bitrate variable transceivers (S-BVTs) sono uno degli elementi chiave che consentiranno questa evoluzione. Questo tipo di transceiver è in grado di sfruttare in modo ottimale le risorse spettrali disponibili, cambiando la sua occupazione di banda ed il bitrate supportato. Uno dei componenti chiave degli S-BVTs lato trasmettitore è il laser a modulazione diretta, che a differenza di quello modulato esternamente permette un aumento del rapporto costo-efficacia e della scalabilità della rete. Implementando laser modulati direttamente si riducono inoltre anche i costi dell’intero modulo S-BVT. In particolare, i vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) rappresentano un’ottima scelta per quanto riguarda i laser da modulare direttamente ed essere inseriti nell’ S-BVT: sono dispositivi molto economici e che allo stesso tempo mantengono buone prestazioni. Lo scopo della tesi è stato quindi quello di modellare i VCSEL modulati direttamente, ed è stato raggiunto partendo dalla simulazione di un generico laser a semiconduttore (in particolare un distributed-feedback laser, DFB) che presenta rate equations indipendenti dalla temperatura. Il modello di questo generico laser è stato sviluppato in linguaggio Python e poi convertito in ambiente Matlab, ed è servito come base per sviluppare un ben più complicato modello di laser VCSEL che tenesse in considerazione anche la dipendenza dalla temperatura delle rate equations. Attraverso i risultati ottenuti dalla simulazione è stata sviluppata una curva potenza-corrente, che è poi stata comparata con la curva potenza-corrente ottenuta partendo dai dati raccolti in laboratorio. Tramite questa comparazione è stato poi possibile modificare i parametri delle rate equations del modello per far sì che la curva simulata avesse lo stesso andamento di quella sperimentale. In questo modo il modello simulativo è stato validato. Poiché il laser usato per la raccolta dei dati sperimentali in laboratorio era un VCSEL tunabile per mezzo di MEMS (microelectromechanical system), è stata effettuata una sua caratterizzazione a diverse lunghezze d’onda: per ciascun valore della corrente di bias è stata sviluppata una curva potenza-corrente. In seguito, attraverso il modello simulativo sviluppato, le diverse curve sperimentali sono state replicate adattando per ciascun livello della corrente di bias, alcuni specifici parametri.